5. L’IMPIANTO DI DEPURAZIONE DELLA CARTIERA M. CARDELLA
L’ impianto di depurazione a fanghi attivi che la Cartiera possiede, tratta esclusivamente le acque provenienti dal drenaggio della seconda parte della tavola piana delle due macchine continue. Queste acque ricche di fibre sono inviate ai due flottatori, posti nelle immediate vicinanze delle due macchine continue, ognuno dei quali normalmente tratta le acque di una sola macchina, anche se è stato dimensionato in modo da sopperire, con portate ridotte, a temporanee inattività dell’altro flottatore dovute a manutenzione, guasti,ecc..
I flottatori hanno la funzione di separare le parti solide dell’impasto: l’acqua da trattare arriva sul fondo, viene saturato con aria compressa in un apposito circuito, in modo che le piccole bollicine d’aria si leghino ai fiocchi di materiale solido (aggregati di fibre e cariche non ritenuti in macchina); quando l’acqua esce dal circuito in pressione, l’aria porta in superficie i fiocchi, i quali vengono raccolti da un raccoglitore a cucchiaio e reintegrati in macchina, sull’aspirazione della fun-pump. Per facilitare tale processo, ai flottatori viene dosato un agente flocculante ad alto peso molecolare, una poliacrilammide anionica, per aumentare le dimensioni dei fiocchi e facilitarne così il trasporto in superficie.
Le acque trattate dal dai due flottatori, vengono raccolte in un serbatoio, dal quale, fluiscono per caduta verso il selettore fanghi, posto a circa 80 metri di distanza, in prossimità della vasca di ossidazione e dei sedimentatori.
Nel selettore le acque provenienti dai flottatori si uniscono ai fanghi biologici di ricircolo; in tale vasca vengono dosati i nutrienti: 90 litri/ora di una soluzione contenente urea al 25% e 9 litri/ora di una soluzione di acido fosforico al 75% ( in condizioni di funzionamento normale dell’impianto di depurazione). L’aggiunta di azoto e fosforo è particolarmente importante nella depurazione dei reflui di cartiera, poiché il COD presente è costituito essenzialmente da fibre e amido, entrambi substrati sostanzialmente fonte di carbonio. Sul fondo della vasca è presente un agitatore che permette un buon miscelamento delle portate d’acqua , fango e nutrienti.
Il ruolo del selettore è quello di limitare nell’intero impianto il numero dei batteri filamentosi a vantaggio dei batteri fiocco formatori , al fine di evitare fenomeni di “bulking filamentoso” (figura 6). Il bulking è un fenomeno nel quale la predominanza dei batteri filamentosi fa si che essi si diramino oltre il fiocco stesso, fino ad interagire con altri fiocchi circostanti. Ciò, se da un lato produce un effluente molto limpido, con pochi solidi sospesi dispersi, dall’altro causa difficoltà di compattazione,
sedimentazione ed ispessimento del fango secondario. Si avrà quindi una bassa concentrazione del fango sedimentato ed alti valori dell’indice del fango SVI. (La sedimentabilità di un fango è data da questo indice, che esprime l’inverso della concentrazione del fango sedimentato in 30 minuti in un cono Imhoff.)
Figura 6: Rappresentazione del fiocco di fango in condizioni diverse
La selezione di cui abbiamo parlato è resa possibile creando un ambiente ostile ai filamentosi: il selettore. Il selettore è una vasca in cui si ha il primo contatto fra i microrganismi dal ricircolo fanghi e la portata di acque da trattare che ha un carico inquinante relativamente alto: è qui che avviene la “cattura” del COD da parte dei microrganismi ed una prima fase di degradazione biologica del substrato. I meccanismi appena
Fiocco ideale
Fiocco interessato da bulking filamentoso
detti, in base ai quali il fango attivo riesce a depurare le acque, possono essere schematizzati nel modo seguente (figura 7):
Figura 7: metabolismo all’interno del selettore
Per contatto diretto del fango attivo con il substrato si realizzano i fenomeni di adsorbimento sul fiocco delle sostanze disciolte nel liquame e di bio-flocculazione, per il quale il fiocco aggrega su di se le sostanze sospese grazie alla secrezione di alcuni polisaccaridi. Vi è poi uno stadio di demolizione extracellulare, condotta ad opera di enzimi idrolitici rilasciati dai batteri nell’ambiente circostante, i quali hanno il compito di spezzare le grosse molecole di substrato in molecole più piccole e più facili da adsorbire. Infine avviene l’ossidazione del substrato. I primi tre blocchi rappresentano la fase di “cattura” del COD, l’ultimo quella di degradazione vera e propria dello stesso, che nel caso in esame avviene in parte nel selettore (processo anaerobico e/o anossico) ed in parte nella vasca di ossidazione (processo aerobico).
Energia Adsorbimento
e Bioflocculazione
Degradazione
enzimatica delle molecole Adsorbimento degradate
Ossidazione biologica
Catabolismo Anabolismo
Ciò che favorisce la crescita dei batteri fiocco formatori nel selettore è la loro maggiore velocità nella “cattura” del substrato ed il fatto che, a differenza dei filamentosi sono in grado di ricavare energia anche in assenza di ossigeno mediante l’utilizzo o di nitrati per l’ossidazione del substrato (in questo caso il selettore sarebbe anossico) o di polifosfati presenti nel protoplasma cellulare(selettore anaerobico).
Nel nostro caso il carico del fango è circa 0.5 [kgBOD/kgSS d] quindi possiamo ritenere che prevarranno nella composizione del fango i microrganismi che crescono in un processo anaerobico (batteri Poili-P) rispetto a quelli che si sviluppano in ambiente anossico (batteri nitrificanti e denitrificanti) (figura 8).
In effetti analisi sul fango effettuate nell’aprile 2003, hanno individuato un’alta percentuale (≈90%) di batteri Poli-P o “accumulatori” di fosfati, del tipo Acinetobacter. Questi batteri ricavano l’energia necessaria alla cattura del COD dal rilascio del fosforo presente nel protoplasma cellulare.
La sostanza organica assorbita viene quindi ossidata attraverso meccanismi di ossidazione che coinvolgono enzimi e l’energia generata risulta disponibile per la crescita, la moltiplicazione cellulare e il riaccumulo di polifosfati all’interno della massa cellulare.
NITRIFICANTI POLI-P
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Carico del fango --->
P re va le nz a de i m ic ro rg an is m i
Figura 8: prevalenza dei microrganismi all’interno del selettore
Bisogna sottolineare il fatto che la presenza del selettore non elimina completamente i batteri filamentosi (figura 9) dall’impianto, ma sfavorisce la loro proliferazione.
Seguono alcune foto scattate al microscopio che furono eseguite al momento delle analisi sul fango di cui si è parlato sopra: non è stato possibile scattarne di nuove per mancanza delle attrezzature necessarie. Osservando al microscopio, il personale tecnico della Cartiera ha constatato che il tipo di fiocco attualmente (figura 10) presente è lo stesso.
Figura 9: Batterio filamentoso
Figura 10: Fiocco lasso e ben flocculato; pochi i filamentosi
Adiacente al selettore si trova la vasca biologica di ossidazione, nella quale le acque ed i fanghi fluiscono per gravità. In tale vasca l’ossigenazione viene effettuata per mezzo di tre turbine agitatrici, e di due
Batterio filamentoso Fiocco di
insufflatori che aspirano l’aria dalla superficie e la distribuiscono uniformemente sul fondo della vasca. In corrispondenza degli angoli della vasca lasciati liberi dagli insufflatori, sono posti due agitatori con lo scopo di evitare che il fango si accumuli nelle zone marginali della vasca stessa .
Nella vasca di ossidazione avviene la seconda fase di conversione del substrato e la respirazione endogena mediante un processo aerobico (figura 11).
Figura 11: cinetica vasca di ossidazione
Al fine di chiarire meglio cosa è la respirazione endogena si può dire che essa è un processo nel quale alcuni microrganismi, nel momento in cui inizia a scarseggiare il substrato, si cibano di altri microrganismi. Il grado di respirazione endogena è proporzionale all’età del fango e porta alla stabilizzazione dello stesso. Dall’età del fango dipende, infatti, la presenza o meno di certi microrganismi “predatori”. Questa dipendenza è rappresentata nella seguente curva (figura 12):
Energia Ossidazione biologica O2 H2O e CO2 Sintesi nuovi microrganismi
Figura 12: Predominanza relativa dei microrganismi che si cibano di materiale organico presente nei reflui
Nel caso trattato (età del fango di ~4 giorni) si ha una forte presenza di flagellati, alcuni protozoi peduncolati e qualche rotifero. Questi organismi hanno l’importante funzione di rimuovere la quota di batteri non flocculati dall’effluente finale, che risulterà quindi più limpido.
In uscita dalla vasca di ossidazione, la portata d’acqua e i fanghi viene trattata con 50 litri/ora di policloruro di alluminio (PAC), per dieci ore al giorno, che funge da flocculante ma soprattutto da chiarificatore, perché agisce sopra i colloidi facendoli precipitare. Oltre a questo viene dosato 2 litri/ora di antischiuma .
L’acqua da trattare fluisce per gravità nei due sedimentatori posti a pochi metri l’uno dall’altro. L’alimentazione avviene dal centro della vasca, e poi distribuita uniformemente tramite un cilindro diffusore. In queste due vasche si ha la separazione, per sedimentazione, tra acqua e fanghi biologici; i fanghi ispessiti vengono convogliati verso un pozzetto centrale di raccolta per mezzo di una raschia raccolti dal fondo attraverso una pompa vengono reintegrati al selettore, ad eccezione di un 5% della portata di ricircolo, che viene immessa in stabilimento, mediante una seconda pompa, per essere consumato in macchina, in modo tale da garantire un ricambio continuo del materiale biologico.
Le acque dei sedimentatori, che rappresentano le acque finali del trattamento biologico di depurazione, stramazzano in una canaletta di raccolta che circonda ogni sedimentatore e vengono convogliate in una unica tubazione, attraverso la quale, raggiungono per caduta il ricettore rappresentato da un canale.
5.1 Schema a blocchi dell’impianto di depurazione
La sequenza delle operazioni con cui depuriamo le acque di processo sono schematizzabili nel seguente modo (figura 13):
Figura 13: Schema a blocchi impianto di depurazione
Nel trattamento biologico a fanghi attivi la demolizione delle sostanze organiche (substrato) ad opera dei microrganismi avviene secondo meccanismi analoghi a quelli della auto-depurazione di un corso
urea ac.fosforico flocculanti acqua di processo e/o fabbricazione
riciclo fanghi in cartiera
antischiuma - PAC
scarico acqua depurata a corpo
d’acqua , ma in apparecchiature realizzate in modo tale da far avvenire le trasformazioni con velocità e rese superiori.
Ogni processo biologico è caratterizzato dalla natura dei substrati, dal tipo di microrganismi e dai prodotti terminali che si formano. In ogni caso, il metabolismo cellulare si compone di due fasi:
anabolismo: fase costruttiva del metabolismo in cui i microrganismi trasformano il substrato nelle sostanze che costituiscono il protoplasma e il materiale di riserva;
catabolismo: trasformazione, in genere demolitiva, del substrato, con liberazione dell’energia necessaria per i processi di sintesi e di mantenimento cellulare.
L’attività biochimica esercitata dalle cellule microbiche sul substrato si svolge attraverso enzimi elaborati dalle cellule stesse, in parte riversati nell’ambiente extra-cellulare, in parte trattenuti nelle cellule o sulle cellule. Gli enzimi partecipano alle reazioni che presiedono alla liberazione dell’energia e alle sintesi protoplasmatiche; la trasformazione delle sostanze organiche costituenti il substrato avviene mediante formazione e successiva scomposizione di complessi enzima/substrato.
Tutti i microrganismi presentano esigenze nutrizionali comuni: necessitano di una fonte di carbonio per ricavarne energia e riprodursi;
necessitano inoltre di azoto fosforo e ossigeno in modo da avere un rapporto BOD/N/P in peso pari a : 100/5/1
5.2 Bilancio delle acque e del COD in ingresso e uscita dall’impianto
Per una produzione media di 20 t/h di prodotto finito, abbiamo le seguenti entrate d’acqua:
200 m3/h prelevata dai pozzi, considerando un consumo medio di 10 m3/t;
1.8 m3/h di umidità contenuta nel macero, considerando l’umidità media del macero uguale a quella del prodotto finito 7.5%.
Per la stessa produzione abbiamo le seguenti uscite d’acqua:
1.63 m3/h come umidità residua del prodotto finito, che mediamente è del 7.5%;
24.2 m3/h come vapore in seccheria, considerando un secco medio alle presse di 46.5%;
0.9 m3/h come umidità residua dello scarto del pulper, che ha un secco misurato del 50%;
180 m3/h circa che vengono mandati al biologico.
La situazione attuale prevede le seguenti condizioni:
produzione di 20 t/h di carta, ognuna delle quali immette nel circuito circa 15 Kg di COD (valore medio dai dati sperimentali a nostra disposizione);
acqua fresca contenente 10 mg/l di COD, per cui sarà trascurabile; portata fanghi di spurgo uguale alla quantità di fango formata per
digestione del COD immessi nell’impianto.
Eseguiamo la verifica delle concentrazioni di COD nel ciclo di produzione. Dalla letteratura si ricava che per ogni Kg di BOD digerito, è prodotto 0.5 Kg di fango biologico, quindi il BOD introdotto nello stabilimento è:
COD:= 15.0 Kg/t
CODcarta COD 20:= ⋅ = 300 Kg/h
BOD:= CODcarta 0.5⋅ = 150 Kg/h
Fango al secco = BOD
Fango al secco per t/carta = 75
20 = 3.75 Kg/t
Se la concentrazione media del fango di ricircolo è di 10 g/l, il volume da spurgare è:
VolumeWAS:= 7510 = 7.5 m3/h
Al momento attuale il nostro spurgo di fanghi biologici è circa 20 m3/h. Chiamando X la concentrazione di COD in uscita dai flottatori, si può scrivere il seguente bilancio di COD:
INGRESSI:
COD dalla carta: 20 15⋅
COD dal riciclo dei fanghi: 20 3.75⋅
USCITA:
COD che rimane nella carta per l'evaporazione: (22 1.2⋅ ⋅X) 1000 COD all'impianto di depurazione: (180 X⋅ )
1000 COD contenuto nell'umidità dello scarto: (0.9 X⋅ )
1000
COD contenuto nell'umidità del prodotto finito: (1.65 X⋅ ) 1000
Poiché gli ingressi devono essere uguali alle uscite, si ottiene che: X:= 1790 mg/l
Il valore del COD così calcolato è una fotografia abbastanza fedele di quello che noi troviamo mediante rilevazioni analitiche, (vedi dati anni 2002 e 2003) in cui il valore medio della concentrazione di COD in ingresso all’impianto biologico è pari a 1800 mg/l. Le oscillazioni che si riscontrano sono dovute al tipo di produzione in atto al momento della misurazione e dalla quantità prodotta.
